光镊横向光阱力的理论分析与实验测量

【作者】 朱艳英； 高秋娟； 魏勇；

【机构】 燕山大学理学院应用物理系；

【摘要】 在非均匀光场中,本文基于几何光学原理,以射线光学(Ray-Optics)计算模型为基础,对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向(沿Y轴方向)光阱力进行了计算。并且在给定参数条件下,进行了数值仿真,根据仿真结果,讨论了光束束腰半径、激光波长与光阱品质特性的关系。我们考虑小球半径ρ为10μm,由模拟结果可知,在粒子偏离Y轴中心-10μm到10μm范围内,粒子只有一个稳定平衡点,即球心位于光轴上的位置,而在接近半径位置处有两个不稳定平衡点。当偏移量ρ0>ρ时,由于作用于微粒表面的光强极其微弱,横向光阱力迅速降为零。在平衡点附近,光阱力的大小和偏离量的关系曲线近似成直线,即有F=-kx,其中,x为小球的位移,k为光阱刚度。当激光的束腰半径增大时,横向光阱力仍然呈现势阱特性,但光阱力的大小增大了,力的作用范围变小了。当波长增大时,光阱力仍然呈势阱特性,力的大小和作用范围没有显著变化,只是力的最大值的位置随着波长的变长而靠近势阱中心。我们可以得出结论,粒子只有在小于粒子半径的一个区域内才能被捕获, 而不是在整个粒子半径区域。根据以上光镊作用于微粒横向光阱力的理论分析,对光镊实验平台的各参数进行设计,通过实验可以测量作用在聚乙烯小球上的力的大小和粒子运动速度,实验测量结果与理论计算结果相符合。更多还原